Ο σίδηρος, ένα από τα πιο κοινά και απλά μέταλλα της Γης, μόλις εξέπληξε τους επιστήμονες. Μια ομάδα με επικεφαλής το Στάνφορντ ανακάλυψε πώς να ωθήσει τον σίδηρο σε μια κατάσταση υψηλότερης ενέργειας από ποτέ, ένα κατόρθωμα που θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει το μέλλον των μπαταριών ιόντων λιθίου και άλλων ενεργειακών τεχνολογιών.
Επαναπροσδιορισμός του σιδήρου
Η ανακάλυψη δείχνει ότι ο σίδηρος μπορεί να απελευθερώσει και να επαναπορροφήσει περισσότερα ηλεκτρόνια από ό,τι θεωρούνταν προηγουμένως δυνατό, ενδεχομένως επιτρέποντας μπαταρίες που είναι πιο ισχυρές και πολύ φθηνότερες από τις σημερινές εκδόσεις με βάση το κοβάλτιο ή το νικέλιο.
Το εύρημα θα μπορούσε επίσης να επηρεάσει άλλες τεχνολογίες που βασίζονται σε μαγνητικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες, από μηχανές μαγνητικής τομογραφίας έως τρένα maglev, ακόμη και υπεραγωγούς.
Η ανακάλυψη έγινε από τρεις διδακτορικούς φοιτητές του Στάνφορντ - τους Χάρι Ραματσαντράν, Έντουαρντ Μου και Έντερ Λομέλι, επικεφαλής μιας ομάδας 23 μελών σε διάφορα πανεπιστήμια των ΗΠΑ, εθνικά εργαστήρια και διεθνείς εταίρους στην Ιαπωνία και τη Νότια Κορέα. Μαζί, βρήκαν έναν τρόπο να ωθήσουν τον σίδηρο σε μια κατάσταση που κάποτε θεωρούνταν απρόσιτη.
Η βασική καινοτομία
Η βασική τους καινοτομία έγκειται στη λεπτή ρύθμιση της δομής μιας ένωσης που κατασκευάζεται από λίθιο, σίδηρο, αντιμόνιο και οξυγόνο.
Όταν τοποθετήθηκε σε νανοκλίμακα, το υλικό επέτρεψε στα άτομα σιδήρου να εγκαταλείπουν και να επαναπορροφούν επανειλημμένα πέντε ηλεκτρόνια, πολύ πέρα από τα συνηθισμένα δύο ή τρία.
Κάμψη χωρίς θραύση
Όταν οι Ramachandran και Mu ξεκίνησαν την έρευνά τους το 2021, τα πρώτα δείγματά τους συνέχιζαν να καταρρέουν κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης. Η ομάδα συνειδητοποίησε ότι η λύση ήταν να κάνει τα σωματίδια του υλικού εξαιρετικά μικρά. «Το να κάνεις τα σωματίδια πολύ μικρά – μόλις 300 έως 400 νανόμετρα, ή δισεκατομμυριοστά του μέτρου, σε διάμετρο, περίπου 40 φορές μικρότερα από πριν – αποδείχθηκε πρόκληση», δήλωσε ο Ramachandran.
Τελικά, το δίδυμο κατάλαβε πώς να καλλιεργήσει τους κρυστάλλους του από ένα προσεκτικά αναμεμειγμένο υγρό διάλυμα.
«Στις ηλεκτροχημικές μας δοκιμές, το υλικό φάνηκε να κάνει τον σίδηρο να παραχωρεί αναστρέψιμα και αργότερα να παίρνει πίσω πέντε ηλεκτρόνια, ενώ η κρυσταλλική δομή παρέμεινε σταθερή», είπε ο Mu.
Η νέα εποχή του σιδήρου
Η επιστροφή του σιδήρου στην επιστήμη των μπαταριών σηματοδοτεί ένα σημείο καμπής. Κάποτε απορριπτόμενες ως πολύ χαμηλής τάσης για προηγμένη αποθήκευση ενέργειας, οι κάθοδοι με βάση τον σίδηρο αναδύονται τώρα ως βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις για το κοβάλτιο, το οποίο είναι ακριβό και συχνά εξορύσσεται υπό επικίνδυνες συνθήκες.
«Μια κάθοδος υψηλής τάσης με βάση τον σίδηρο θα μπορούσε να αποφύγει την ανταλλαγή μεταξύ μετάλλων υψηλότερης τάσης και υψηλότερου κόστους που προηγουμένως κυριαρχούσαν στα υλικά καθόδου», είπε ο Mu.
Στο Κέντρο Μπαταριών SLAC-Stanford του Στάνφορντ, οι πρώτες δοκιμές έδειξαν ότι η ένωση λιθίου-σιδήρου-αντιμονίου-οξυγόνου παρέμεινε δομικά άθικτη, κάμπτοντας ελαφρώς αντί να σπάει κατά τη διάρκεια των κύκλων φόρτισης.
«Οι επιστήμονες σπάνια έχουν αναφέρει υλικά υψηλής τάσης με βάση τον σίδηρο», δήλωσε ο συν-επικεφαλής συγγραφέας Γουίλιαμ Τσουέ. «Η λεπτομερής εξερεύνηση της ηλεκτρονικής δομής αυτού του είδους σιδήρου παρέχει αδιάσειστα στοιχεία οξείδωσης πέραν των τριών ηλεκτρονίων».
Η πλήρης μελέτη δημοσιεύθηκε νωρίτερα αυτόν τον μήνα στο Nature Materials.
www.worldenergynews.gr
